(57)【要約】【課題】圧接により複数の半導体素子の電極層と電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールにおいて、半導体モジュールの放熱性を向上する。【解決手段】ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ（半導体素子）と、このＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄの電極層と電気的に接続されるコレクタ電極端子３及びエミッタ電極端子７とを備えた半導体モジュール１において、エミッタ電極端子７にばね電極６を設け、エミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧する。ばね電極６は、導電板部材８ａ，８ｂとばね９ａ〜９ｄとから構成される。導電板部材８ａ，８ｂは、導体平板を折り返して断面Ｕ字状に形成される。各導電板部材８ａ，８ｂを、導電板部材８ａ，８ｂの開口部が向かい合う向きに咬み合わすことで、楕円状の空間を形成し、この楕円状の空間であって、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄの電極面の法線方向延長上にそれぞればね９ａ〜９ｄを設ける。【選択図】図１
2013102065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記電極端子に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板を折り返した複数の導電板部材と、この導電板部材の開口部を重ね合わせて形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記電極端子との間に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板を折り返した複数の導電板部材と、この導電板部材の開口部を重ね合わせて形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記電極端子に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、円筒状の導電部材と、当該導電部材の内壁間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】
複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記電極端子との間に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、円筒状の導電部材と、当該導電部材の内壁間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項５】
複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記電極端子に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板の両端を折り返した導電板部材と、前記導体平板を折り返して形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項６】
複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記半導体素子と前記電極端子との間に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板の両端を折り返した導電板部材と、前記導体平板を折り返して形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】
前記複数の半導体素子に対して、それぞれ前記弾性部材を設ける
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子を圧接する電極部材であって、
前記電極部材は、導体平板を折り返した複数の導電板部材と、この導電板部材の開口部を重ね合わせて形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする電極部材。
【請求項９】
複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子を圧接する電極部材であって、
前記電極部材は、円筒状の導電部材と、当該導電部材の内壁間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする電極部材。
【請求項１０】
複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子を圧接する電極部材であって、
前記電極部材は、導体平板の両端を折り返した導電板部材と、前記導体平板を折り返して形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有する
ことを特徴とする電極部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と、半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子とを備えた半導体モジュール及びこの半導体モジュールに備えられる電極部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用・車両用システムや変電設備やインバータ等の電力変換装置といった分野に用いられる絶縁形パワー半導体モジュールに対して、高耐圧、大容量のＩＧＢT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の適用が行われている。このＩＧＢＴモジュールに代表される「絶緑形パワー半導体モジュール」若しくは「Isolated power semiconductor devices」は、それぞれＪＥＣ−２４０７−２００７、ＩＥＣ６０７４７−１５にて規格が制定されている。
【０００３】
一般的な絶緑形パワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子であるＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子は、半導体素子の下面に備えられた電極層をＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板（或いはＤＣＢ基板）の銅回路箔上にはんだ付けすることにより備えられる（例えば、非特許文献１）。ＤＢＣ基板とは、セラミックス等からなる絶縁板に銅回路箔を直接接合したものである。
【０００４】
半導体素子の上面に備えられる電極層には、超音波ボンディング等の方法によりアルミワイヤが接続され、例えば、ＤＢＣ基板上の銅回路箔と電気的に結線される。そして、ＤＢＣ基板の銅回路箔から外部へ電気を接続するための銅端子（リードフレームやブスバー）は、銅回路箔とはんだ付けにより接続される。さらに、この周りは（スーパー）エンジニアリングプラスチックのケースで囲まれ、その中を電気絶緑のためのシリコーンゲル等が充填される。
【０００５】
はんだを用いた絶緑形パワー半導体モジュールには、以下の２つの課題がある。
１．ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）に対応するため、はんだの鉛フリー化
２．温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性の向上
はんだの鉛フリー化の課題に対して、鉛フリーはんだを用いることや、はんだを用いない半導体モジュール構造が検討されている。鉛フリーはんだ材料としては、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系のものが検討されている。
【０００６】
一方、はんだを用いない半導体モジュールとして、平型圧接構造パッケージがある（例えば、非特許文献１，２）。平型圧接構造パッケージは、半導体素子と、半導体素子の電極層と電気的に接続されるコンタクト端子及び基板を有する。平型圧接構造パッケージでは、半導体素子の上面電極層がコンタクト端子に接触した状態で、半導体素子が基板（例えば、Ｍｏ基板）上に設けられる。そして、コンタクト端子（若しくは、基板）を半導体素子方向に押圧するようにヒートシンクがそれぞれ設けられ、コンタクト端子及び基板とを半導体素子方向に押圧する。半導体素子の下面には、下面電極層が形成されており、半導体素子と基板とが電気的に接続される。なお、半導体素子の側端部には、半導体素子やコンタクト端子の位置決めをするガイドが設けられる。
【０００７】
このような平型圧接構造パッケージは、半導体素子を両面から冷却できるとともに、はんだを用いることなく半導体素子と外部とを電気的、熱的に接続することができる。さらに、ヒートシンクで、コンタクト端子（若しくは、基板）を半導体素子方向に押圧することにより、平型圧接構造パッケージの両面を冷却するとともに、このヒートシンクを導電部材として用いることもできる。
【０００８】
平型圧接構造パッケージでは、ヒートシンクと平型圧接構造パッケージとの圧接は、主にユーザが実施する。圧接は、平型圧接構造パッケージの上下に設けられるヒートシンク間を電気的に絶縁する必要があること、板ばねで平型圧接構造パッケージを圧接するが、この設計の圧接力が不良であった場合は、半導体素子の破壊の原因となるおそれがある。また、回路を構成するのに、このヒートシンクや圧接のための板ばねが小型化の妨げとなる等、使いこなすのには熟練が要求されることもあり、代わりに使い勝手の良い従来型の絶縁形パワー半導体モジュールが広く使われている。
【０００９】
しかし、パワーモジュールに要求されるパワー密度は、年々増加する傾向にあり、半導体モジュールの小型化、耐高温性がより求められている。従来型パワーモジュールにおいて、現状の構成部材や構造では、さらなる小型化、耐高温性が困難になってきている。これらを解決するために、上述したような圧接型パッケージが注目を集めている。特に、放熱性を考慮すると、半導体素子の上下から放熱するような構造が最も効率が良い。そこで、発明者らは、半導体素子１個を使用した圧接型モジュールの設計を行った際、図４（ａ），（ｂ）に示すような半導体モジュールを検討した。
【００１０】
図４（ｂ）に示すように、この半導体モジュール１９は、半導体素子２ａと、電極端子３，７と電極部材２０とから構成される。電極端子３，７は、それぞれコンタクト電極４，５を介して半導体素子２ａと電気的に接続される。また、電極部材２０は、導体平板８ｄを折り返した平板間にばね９ａを挟持して構成され、電極端子７を半導体素子２ａ方向に押圧する。さらに、電極端子３には、絶縁板１０（熱伝導性絶縁部材）を介して放熱ブロック１１が設けられ、電極部材２０には、絶縁板１０を介して放熱ブロック１２が設けられる。この放熱ブロック１１，１２は、半導体素子２ａ、電極端子３，７、電極部材２０からなる積層体を押圧するように設けられる。
【００１１】
電極部材２０に設けられるばね９ａ等の弾性部材は、半導体素子２ａと電極端子３，７とを電気的に接続するために適切な圧接力を保つことができる弾性が必要となる。よって、弾性部材を構成する材料としては、必ずしも熱伝導性の良い材料を用いることができない場合がある。そこで、ばね９ａを挟持する導体平板８ｄを熱伝導性に優れた材料で形成することで、導体平板８ｄの折り返し部を介して、半導体素子２ａ（電極端子３，７）の熱を、効率よく放熱ブロック１２（及び、絶縁板１０）に伝えることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会、「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」、コロナ社、１９９６年７月、ｐ２８９、ｐ３３６
【非特許文献２】森睦宏，関康和、「大容量ＩＧＢＴの最近の進歩」、電気学会誌、社団法人電気学会、１９９８年５月、Ｖｏｌ．１１８（５）、ｐｐ．２７４−２７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図５（ａ），（ｂ）に例示するように、半導体モジュール２１が複数の半導体素子２ａ〜２ｄを有し、この複数の半導体素子２ａ〜２ｄを一つの電極部材２２で押圧する場合、単純なＵ字型ではそれぞれの半導体素子２ａ〜２ｄを均等に放熱できないおそれが生じる場合がある。つまり、半導体素子が１個の場合と比較して、電極部材２２が複数の半導体素子２ａ〜２ｄを押圧する場合、電極部材２２の折り返し部に近い位置に設けられる半導体素子（例えば、半導体素子２ａ，２ｃ）と、この折り返し部から遠い位置に設けられる半導体素子（例えば、半導体素子２ｂ，２ｄ）とにおいて、放熱条件が異なることが予想され、半導体素子２ａ〜２ｄ間で温度にばらつきが生じるおそれがある。そして、半導体素子２ａ〜２ｄの温度にばらつきが生じた場合、半導体素子２ａ〜２ｄの特性にもばらつきが生じるおそれがある。
【００１４】
上記事情に鑑み、本発明は、複数の半導体素子を有する半導体モジュールにおいて、複数の半導体素子を押圧する電極部材の放熱性の向上に貢献する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの一態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記電極端子に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板を折り返した複数の導電板部材と、この導電板部材の開口部を重ね合わせて形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００１６】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記電極端子との間に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板を折り返した複数の導電板部材と、この導電板部材の開口部を重ね合わせて形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００１７】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記電極端子に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、円筒状の導電部材と、当該導電部材の内壁間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００１８】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記電極端子との間に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、円筒状の導電部材と、当該導電部材の内壁間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００１９】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記電極端子に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板の両端を折り返した導電板部材と、前記導体平板を折り返して形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００２０】
複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層と電気的に接続される電極端子と、を備えた半導体モジュールであって、前記半導体素子と前記電極端子との間に、前記半導体素子と前記電極端子を圧接して、前記電極端子と前記半導体素子の電極層を電気的に接続する電極部材を設け、この電極部材は、導体平板の両端を折り返した導電板部材と、前記導体平板を折り返して形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００２１】
また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、上記の半導体モジュールにおいて、前記複数の半導体素子に対して、それぞれ前記弾性部材を設けることを特徴としている。
【００２２】
また、上記目的を達成する本発明の電極部材の一態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子を圧接する電極部材であって、前記電極部材は、導体平板を折り返した複数の導電板部材と、この導電板部材の開口部を重ね合わせて形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００２３】
また、上記目的を達成する本発明の電極部材の一態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子を圧接する電極部材であって、前記電極部材は、円筒状の導電部材と、当該導電部材の内壁間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の電極部材の一態様は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の電極層に電気的に接続される電極端子を圧接する電極部材であって、前記電極部材は、導体平板の両端を折り返した導電板部材と、前記導体平板を折り返して形成される平板間に設けられる弾性部材と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２５】
以上の発明によれば、半導体モジュールの放熱性の向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの上面透視図、（ｂ）本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図２】（ａ）本発明の実施形態２に係る半導体モジュールの上面透視図、（ｂ）本発明の実施形態２に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図３】（ａ）本発明の実施形態３に係る半導体モジュールの上面透視図、（ｂ）本発明の実施形態３に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図４】（ａ）参考例に係る半導体モジュールの上面透視図、（ｂ）参考例に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【図５】（ａ）参考例に係る半導体モジュールの上面透視図、（ｂ）参考例に係る半導体モジュールの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の半導体モジュール及び電極部材について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図面に示す透視図や断面図は、いずれも本発明の実施形態に係る半導体モジュールを模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。
【００２８】
（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の上面透視図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１の要部断面図である。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、実施形態１に係る半導体モジュール１は、複数のＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ（半導体素子）を備え、各ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄの電極層を押圧するようにばね９ａ〜９ｄ（弾性部材）が設けられる。また、図１（ｂ）に示すように、実施形態１に係る半導体モジュール１は、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄと、コレクタ電極端子３と、エミッタ電極端子７と、ばね電極６（電極部材）とから構成される。
【００３０】
ＩＧＢＴ素子２ａは、図示省略するが、その上面にエミッタ、ゲート（制御電極）が形成され、底面にコレクタが形成されている。なお、実施形態の説明では、ＩＧＢＴ素子２ａについて詳細に説明するが、他のＩＧＢＴ素子２ｂ〜２ｄについても同様であり、重複を避けるため説明を省略する。また、実施形態の説明では、便宜上、上面及び底面とするが上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。また、ゲート（制御電極）と制御回路との接続については、従来の接続方法を用いればよいので図示省略する（他の実施形態についても同様である）。
【００３１】
ＩＧＢＴ素子２ａは、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して設けられ、コレクタ電極端子３が、コンタクト電極４を介してＩＧＢＴ素子２ａのコレクタと電気的に接続される。
【００３２】
コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子７）を構成する材料は、適宜周知の電極材料を用いればよい。例えば、コレクタ電極端子３（及び、エミッタ電極端子７）の材料に銅等の熱伝導性の良い金属を用いると半導体モジュール１（ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ）の放熱性が向上する。
【００３３】
コンタクト電極４（及び、後述のコンタクト電極５）は、適宜周知のコンタクト部材を用いればよい。例えば、コンタクト電極４（及び、コンタクト電極５）として、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄを構成する材料（例えば、ケイ素（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ））に比較的熱膨張係数が近い材料（例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）、その他化合物等）を用いると、コンタクト電極４（コンタクト電極５）がＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄとコレクタ電極端子３（ばね電極６）との熱応力の緩衝板として作用し、温度サイクルにおける半導体モジュール１の信頼性を高めることができる。
【００３４】
ＩＧＢＴ素子２ａのエミッタには、コンタクト電極５が設けられ、さらにコンタクト電極５上にエミッタ電極端子７が設けられる。つまり、エミッタ電極端子７が、コンタクト電極５を介してＩＧＢＴ素子２ａのエミッタと電気的に接続される。
【００３５】
ばね電極６は、エミッタ電極端子７上に設けられ、エミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧する。ばね電極６は、導電板部材８ａ，８ｂとばね９ａ〜９ｄとから構成される。
【００３６】
導電板部材８ａ，８ｂは、銅、アルミニウム等からなる導体平板を折り返して断面Ｕ字状に形成される。特に、導電板部材８ａ，８ｂの材料として、３００℃においても強度的に劣化しない銅を用いると、半導体モジュール１の耐熱性が向上する。そして、各導電板部材８ａ，８ｂを、導電板部材８ａ，８ｂの開口部が向かい合う向きに咬み合わすことで扁平な楕円状の空間を形成し、この楕円状の空間であって、ＩＧＢＴ素子２ａの電極面の法線方向延長上にばね９ａが設けられる（同様に、ＩＧＢＴ素子２ｂの電極面の法線方向延長上にばね９ｂが設けられる）。なお、導電板部材８ａ（若しくは、導電板部材８ｂ）の開口部に、導電板部材８ｂ（若しくは、導電板部材８ａ）の開口部を挟入してばね電極を形成してもよい。
【００３７】
ばね９ａ〜９ｄの形状としては、皿ばね、波板ばね、凸ばね、メッシュばね等の弾性部材が例示される。ばね９ａ〜９ｄの形状をこれらの形状とすることで、導電板部材８ａ，８ｂ間に設けられるばね９ａ〜９ｄの自然長を０．１〜２ｍｍとした場合においても半導体モジュール１内に備えられるＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄに適切な圧接力を作用させることができる。また、ばね９ａ〜９ｄの自然長を、０．１〜２ｍｍ程度に設定するとばね電極６の高さ（後述の冷却ブロック１２とＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄとの間）の熱抵抗が小さくなり、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄの冷却効率が向上するとともに、半導体モジュール１を小型化することができる。また、ばね電極６に設けられたばね９ａ〜９ｄの圧接力を１〜１０ＭＰａとすると、絶縁形パワー半導体の保管及び動作時に半導体モジュール１に設けられる各部材（例えば、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ等）に適切な圧接力がかかるように半導体モジュール１を構成することができる。なお、ばね９ａ〜９ｄを構成する材料は、例えば、ステンレス、インコネル（登録商標）等既知のばね材料を用いればよい。
【００３８】
さらに、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧するように、コレクタ電極端子３に絶縁板１０を介して放熱ブロック１１が設けられ、ばね電極６に絶縁板１０を介して放熱ブロック１２が設けられる。この放熱ブロック１１、１２を固定した時、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７は、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧された状態となる。なお、絶縁板１０，１０として、熱伝導性の高い絶縁板を用いると、半導体モジュール１の放熱性がより向上する。
【００３９】
放熱ブロック１１、１２は、銅、アルミニウム等の金属板や熱伝導性の高いセラミックス板が用いられる。この放熱ブロック１１、１２にヒートシンクを接続したり、放熱ブロック１１、１２に直接冷却媒体（気体または液体）を接触させたりすることで半導体モジュール１を冷却する。なお、放熱ブロック１１、１２を半導体モジュール１の筺体として用いることもできるが、さらに図示省略の筺体に放熱ブロック１１、１２に挟持されたＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄを格納してもよい。また、絶縁板１０、１０を設けず、放熱ブロック１１、１２を半導体モジュール１の外部回路と接続される外部接続用電極として用いてもよい。
【００４０】
ここで、ばね電極６の作用について説明する。コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧するように放熱ブロック１１、１２を固定すると、ばね電極６のばね９ａ〜９ｄに弾性エネルギーが蓄積される。ばね電極６は、ばね９ａ〜９ｄの弾性力により、エミッタ電極端子７とコンタクト電極５をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧する。また、ばね電極６により、コレクタ電極端子３及び絶縁板１０は放熱ブロック１１方向に押圧され、この押圧する力の反力によりコレクタ電極端子３がコンタクト電極４をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧する。このように、半導体モジュール１内部で各部材を押圧する力のバランスが保たれ、各部材間に適当な圧接力が働く。
【００４１】
以上のように、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１によれば、断面Ｕ字状の導電板部材８ａ，８ｂを１対設け、各導電板部材８ａ，８ｂの開口部を咬み合わせるように配置することで、ばね電極６に複数の放熱パス（折り返し部）が形成されることとなる。その結果、ばね電極６が複数の半導体素子２ａ〜２ｄを押圧する場合でも、各半導体素子２ａ〜２ｄの配置場所にかかわらず、各半導体素子２ａ〜２ｄから効率よく放熱を行うことができる。よって、半導体素子２ａ〜２ｄの温度のばらつきを低減し、半導体モジュール１の動作安定性を向上させることができる。また、複数の半導体素子２ａ〜２ｄにまたがって配置される導電板部材８ａ，８ｂが熱拡散板として作用するので、半導体素子２ａ〜２ｄごとの温度のばらつきがさらに低減される。
【００４２】
また、半導体素子２ａ〜２ｄを押圧するばね９ａ〜９ｄを導体平板を折り返した導電板部材８ａ，８ｂ間に設けることで、複数のばね９ａ〜９ｄがばね電極６と一体となるので、半導体モジュール１の組立て時に半導体素子２ａ〜２ｄとばね９ａ〜９ｄとの位置合わせを容易に行うことができる。よって、半導体モジュール１の組立て作業が容易になり、不適切な組立てによる半導体モジュール１の性能低下や半導体素子の破壊の発生を防止することができる。そして、半導体モジュール１を構成する各部材が圧接により接続されるため、はんだフリーな半導体モジュール１を得ることもできる。
【００４３】
さらに、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１は、半導体素子２ａ〜２ｄを半導体モジュール１の上下両方から冷却できる圧接型の構造であるので放熱性が良く、内部部材の酸化を防止するために半導体モジュール１内を気密封止することも容易にできるので、半導体素子２ａ〜２ｄの性能低下の要因が低減し、半導体モジュール１の動作安定性が向上する。
【００４４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体モジュール及び電極部材について、図２を参照して詳細に説明する。実施形態２に係る半導体モジュール１４及びばね電極１５（電極部材）は、実施形態１に係るばね電極６の導電板部材８ａ，８ｂの代わりに導電部材１６を用いたこと以外は、実施形態１に係る半導体モジュール１及びばね電極６と同じである。よって、実施形態１に係る半導体モジュール１及びばね電極６と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
図２（ａ）は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１４の上面透視図であり、図２（ｂ）は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１４の要部断面図である。
【００４６】
図２（ａ）に示すように、実施形態２に係る半導体モジュール１４は、複数のＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ（半導体素子）を備え、各半導体素子２ａ〜２ｄの電極層を押圧するようにばね９ａ〜９ｄ（弾性部材）が設けられる。また、図２（ｂ）に示すように、実施形態２に係る半導体モジュール１４は、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄと、コレクタ電極端子３と、エミッタ電極端子７と、ばね電極１５（電極部材）とから構成される。
【００４７】
ＩＧＢＴ素子２ａは、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して設けられ、コレクタ電極端子３が、コンタクト電極４を介してＩＧＢＴ素子２ａのコレクタと電気的に接続される。
【００４８】
ＩＧＢＴ素子２ａのエミッタには、コンタクト電極５が設けられ、コンタクト電極５上にエミッタ電極端子７が設けられる。つまり、エミッタ電極端子７が、コンタクト電極５を介してＩＧＢＴ素子２ａのエミッタと電気的に接続される。
【００４９】
ばね電極１５は、エミッタ電極端子７上に設けられ、エミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧する。ばね電極１５は、円筒状の導電部材１６とばね９ａ〜９ｄとから構成される。導電部材１６は、銅、アルミニウム等からなる。特に、導電部材１６の材料として、３００℃においても強度的に劣化しない銅を用いると、半導体モジュール１４の耐熱性が向上する。そして、円筒状の導電部材１６の外周側面がエミッタ電極端子７と接するように設けられ、導電部材１６の内周（つまり、導電部材１６の内壁間）であって、ＩＧＢＴ素子２ａの電極面の法線方向延長上にばね９ａが設けられる（同様に、ＩＧＢＴ素子２ｂの電極面の法線方向延長上にばね９ｂが設けられる）。
【００５０】
さらに、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧するように、コレクタ電極端子３に絶縁板１０を介して放熱ブロック１１が設けられ、ばね電極１５に絶縁板１０を介して放熱ブロック１２が設けられる。この放熱ブロック１１、１２を固定した時、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７は、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧された状態となる。
【００５１】
以上のように、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール１４によれば、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、ばね電極１５に複数の放熱パス（折り返し部）が形成されることとなる。その結果、ばね電極１５が複数の半導体素子２ａ〜２ｄを押圧する場合でも、各半導体素子２ａ〜２ｄの配置場所にかかわらず、各半導体素子２ａ〜２ｄから効率よく放熱を行うことができる。よって、半導体素子２ａ〜２ｄの温度のばらつきを低減し、半導体モジュール１４の動作安定性を向上させることができる等、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、実施形態２に係る半導体モジュール１４は、ばね電極１５を構成する導電部材１６が円筒状である。その結果、実施形態１に係る半導体モジュール１のように導電板部材８ａ，８ｂを重ねるばね電極６と比較して、導電部材１６を薄くすることができるので、半導体モジュール１４をより小型化することができる。また、実施形態１に係る半導体モジュール１のような複数の導電板部材８ａ，８ｂを組み合わせてばね電極６を形成する場合と比較して、導電部材１６は一体に形成されているので（つまり、導電板部材８ａ，８ｂがばらばらにならないので）、半導体モジュール１４の組立てがより容易になる。
【００５３】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体モジュール及び電極部材について、図３を参照して詳細に説明する。実施形態３に係る半導体モジュール１７及びばね電極１８（電極部材）は、ばね電極１８の導電板部材８ｃの形状が異なること以外は、実施形態１に係る半導体モジュール１及びばね電極６と同じである。よって、実施形態１に係る半導体モジュール１及びばね電極６と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
図３（ａ）は、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１７の上面透視図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１７の要部断面図である。
【００５５】
図３（ａ）に示すように、実施形態３に係る半導体モジュール１７は、複数のＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ（半導体素子）を備え、各ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄの電極層を押圧するようにばね９ａ〜９ｄ（弾性部材）が設けられる。また、図３（ｂ）に示すように、実施形態３に係る半導体モジュール１７は、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄと、コレクタ電極端子３と、エミッタ電極端子７と、ばね電極１８とから構成される。
【００５６】
ＩＧＢＴ素子２ａは、例えば、コレクタ（カソード）電極端子３上にモリブデン製コンタクト電極４を介して設けられ、コレクタ電極端子３が、コンタクト電極４を介してＩＧＢＴ素子２ａのコレクタと電気的に接続される。
【００５７】
ＩＧＢＴ素子２ａのエミッタには、コンタクト電極５が設けられ、このコンタクト電極５上にエミッタ電極端子７が設けられる。つまり、エミッタ電極端子７が、コンタクト電極５を介してＩＧＢＴ素子２ａのエミッタと電気的に接続される。
【００５８】
ばね電極１８は、エミッタ電極端子７上に設けられ、エミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧する。ばね電極１８は、導電板部材８ｃとばね９ａ〜９ｄとから構成される。導電板部材８ｃは、銅、アルミニウム等からなる導体平板の両端を折り返して形成される。特に、導電板部材８ｃの材料として、３００℃においても強度的に劣化しない銅を用いると、半導体モジュール１７の耐熱性が向上する。そして、折り返された導電板部材８ｃ間であって、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄの電極面の法線方向延長上にばね９ａが設けられる（同様に、ＩＧＢＴ素子２ｂの電極面の法線方向延長上にばね９ｂが設けられる）。
【００５９】
さらに、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７をＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧するように、コレクタ電極端子３に絶縁板１０を介して放熱ブロック１１が設けられ、ばね電極１８に絶縁板１０を介して放熱ブロック１２が設けられる。この放熱ブロック１１、１２を固定した時、コレクタ電極端子３とエミッタ電極端子７は、ＩＧＢＴ素子２ａ〜２ｄ方向に押圧された状態となる。
【００６０】
以上ように、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール１７によれば、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様に、ばね電極１８に複数の放熱パス（折り返し部）が形成されることとなる。その結果、ばね電極１８が複数の半導体素子２ａ〜２ｄを押圧する場合でも、各半導体素子２ａ〜２ｄの配置場所にかかわらず、各半導体素子２ａ〜２ｄから効率よく放熱を行うことができる。よって、半導体素子２ａ〜２ｄの温度のばらつきを低減し、半導体モジュール１７の動作安定性を向上させることができる等、実施形態１に係る半導体モジュール１と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また、実施形態３に係る半導体モジュール１７は、ばね電極１８が導電板部材８ｃの両端を折り返すことで形成されている。その結果、実施形態１に係る半導体モジュール１のように導電板部材８ａ，８ｂを重ねる必要がないので、導電部材８ｃを薄くすることができ、半導体モジュール１７をより小型化することができる。また、実施形態１に係る半導体モジュール１のような複数の導電部材８ａ，８ｂを組み合わせてばね電極６を形成する場合と比較して、導電板部材８ｃがばらばらにならないので、半導体モジュール１７の組立てがより容易になる。
【００６２】
以上、具体的な実施形態を例示して本発明の半導体モジュール及び電極部材を説明したが、本発明の半導体モジュール及び電極部材は、上述した実施形態１〜３に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に係る半導体モジュール及び電極部材である。
【００６３】
例えば、本発明は、圧接により半導体素子の電極層と外部（若しくは、内部の別の回路）に接続するための電極端子とを電気的に接続する半導体モジュールに適用可能である。よって、ばね電極（電極部材）を設ける位置は、コレクタ電極端子（エミッタ電極端子）と半導体素子との間若しくは、冷却板とコレクタ電極端子との間に設けてもよい。また、エミッタ電極端子（またはコレクタ電極端子）、ばね電極、及びコンタクト電極を一体に形成したものを用いてもよい。
【００６４】
また、実施形態ではＩＧＢＴ素子を備えた平型圧接構造の半導体モジュールを例示して説明したが、半導体モジュールに備えられる半導体素子は、ＩＧＢＴに限定されるものでなく、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）や、サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ等）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等）等の半導体素子を複数若しくは組み合わせて用いる形態であってもよい。そして、ばね電極に半導体素子を複数設ける場合、ばね電極に接続される半導体素子の数は特に限定されるものではなく、適宜必要な半導体素子を接続すればよく、接続された半導体素子の数に応じてばね電極に設けるばねの数を設定すればよい。
【００６５】
また、導電板部材（若しくは、導電部材）と弾性部材との間に分散板（図示省略）を設けることで、導電板部材（若しくは、導電部材）の変形を防止して、弾性部材の弾性力を電極端子（及び半導体素子）に作用させることができる。つまり、この導電板部材（若しくは、導電部材）弾性部材との間にそれぞれ分散板を設けると、弾性部材の弾性力が導電板部材（若しくは、導電部材）の一部に集中せず、弾性部材が電極端子（または、コンタクト電極）との接続面を押圧する力がより均一になる。
【００６６】
また、実施形態１，３に係る導電板部材または実施形態２に係る導電部材（同じもの同士、または異なるもの同士）を組み合わせることで、放熱パスをより増加させた形態としてもよい。例えば、実施形態１に係るばね電極の導電板部材を２組用いて、各組の導電板部材が直交するように開口部を咬み合わせることで、放熱パスをより増加させることができる。
【００６７】
また、弾性部材は、実施形態のように各半導体素子の直上に１対１で配置することが好ましいが、弾性部材の配置形態は実施形態に限定されるものではなく、例えば、複数の半導体素子の中央部分に複数の半導体素子を均等に押圧するばねを１つ設ける形態や、複数の半導体素子にまたがって配置される弾性部材（板ばね等）を並列に設ける形態としてもよい。
【００６８】
以上のように、本発明の半導体モジュール及び電極部材によれば、半導体モジュールの放熱性及び組立て利便性が向上するので、半導体モジュールの高信頼性、利便性を同時に実現することができる。また、電極部材の弾性力により半導体モジュールに備えられる各部材を接続するので、はんだ接合あるいはワイヤーボンドを用いず、かつ使い勝手の良い絶縁形パワー半導体モジュールを得ることができる。さらに、ばねを導電板部材（若しくは、導電部材）で包んでばね電極を構成することで、半導体モジュールの放熱性が向上する。よって、ＳｉＣ、ＧａＮ等の高温で使用可能な半導体素子の性能を生かす半導体モジュールにおいて、温度サイクル、パワーサイクル等の信頼性が向上する。
【００６９】
特に、本発明の半導体モジュール及び電極部材は、半導体モジュールの放熱性を向上させることができるので、高温動作が要求される絶縁形パワー半導体モジュールやインバータ等の電力変換装置に用いることで、絶縁形パワー半導体モジュールや電力変換装置の放熱性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１，１４，１７，１９，２１…半導体モジュール
２ａ〜２ｄ…ＩＧＢＴ素子（半導体素子）
３…コレクタ電極端子（電極端子）
４，５…コンタクト電極
６，１５，１８，２０，２２…ばね電極（電極部材）
７…エミッタ電極端子（電極端子）
８ａ〜８ｅ…導電板部材
９ａ〜９ｄ…ばね（弾性部材）
１０…絶縁板
１１、１２…冷却ブロック
１６…導電部材（円筒状の導体）
【図１】
2013102065.tif 000003
【図２】
2013102065.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013102065.tif 000006
【図５】
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